Använda tröghetssensorn med VEX V5 – VEX bibliotek

Beskrivning

Tröghetssensorn är en kombination av en 3-axlig (X, Y och Z) accelerometer och ett 3-axligt gyroskop. Accelerometern detekterar en rörelseförändring (acceleration) i valfri riktning och gyroskopet bibehåller elektroniskt en referensposition så att det kan mäta en rotationsförändring av position i valfri riktning mot denna referens.

Kombinationen av dessa två enheter i en sensor möjliggör effektiv och noggrann navigering, samt kontroll av alla förändringar i en robots rörelse. En detektering av en rörelseförändring kan minska risken för att en robot faller när den kör eller klättrar över ett hinder.

Sensorns hölje har ett enda monteringshål vilket gör att den enkelt kan monteras på robotens struktur. Dessutom finns det en liten fördjupning framför monteringshålet som markerar sensorns referenspunkt. På undersidan av höljet finns en rund bussning som är dimensionerad för att föras in i ett fyrkantigt hål i en bit strukturmetall. Detta kommer att hålla sensorn fixerad vid sin fästpunkt. På baksidan av sensorhuset finns en V5 Smart Port.

Vinklad vy av V5-tröghetssensorn med dess lilla sensorreferenspunkt markerad.

Baksidan av V5-tröghetssensorn med dess engängade insats för en #8-32 VEX-skruv visad och dess runda bussning markerad.

Det finns ett diagram på höljet bredvid monteringshålet som anger axelns orientering för tröghetssensorn.

För att tröghetssensorn ska fungera med V5 Brain måste sensorns V5 Smart Port och en V5 Brains Smart Port vara anslutna med en V5 Smart Cable. Tröghetssensorn fungerar med vilken som helst av de 21 smarta portarna i hjärnan. När du ansluter en V5 Smart Cable till portarna, se till att kabelns kontakt är helt isatt i porten och att kontaktens låsflik är helt låst.

Vinklad vy av V5 tröghetssensorn. Det utskrivna diagrammet som visar tröghetssensorns orientering är synligt från denna vinkel.

Sidan av V5-tröghetssensorn med dess Smart Port visad.

Hur tröghetssensorn fungerar

Både accelerometerdelen och gyroskopdelen av denna sensor producerar en smart signalåterkoppling till V5 Brain.

Accelerometer: Accelerometern mäter hur snabbt sensorn ändrar sin rörelse (accelererar) längs X-axeln, Y-axeln och/eller Z-axeln. Dessa axlar bestäms av tröghetssensorns orientering. Till exempel kan en orientering ha en robots X-axel som dess rörelse framåt och bakåt, dess Y-axel som dess rörelse från sida till sida och dess Z-axel som dess rörelse uppåt och nedåt (som att roboten lyfter sig själv från fältet på en upphängningsstång).

Accelerometern mäter en rörelseförändring när dess interna elektronik detekterar en tröghetsförändring och detta skapar en förändring i dess avläsning. Ju snabbare rörelseförändringen är, desto mer förändras avläsningen. Obs: Detta kan vara ett större positivt värde eller ett större negativt värde beroende på rörelsens riktning längs axeln.

Acceleration mäts i g (enhet för gravitationsacceleration). Den maximala mätgränsen för accelerometerdelen av tröghetssensorn är upp till 4 g. Detta är mer än tillräckligt för att mäta och kontrollera de flesta robotbeteenden.

Gyroskop: Gyroskopet mäter inte linjär rörelse längs 3-axeln utan rotationsrörelsen runt 3-axeln. Sensorn mäter denna rotation när den interna elektroniken skapar en fast referenspunkt. När sensorn roterar bort från denna referenspunkt ändras utsignalen.

Det tar en kort tid för ett gyroskop att etablera sin referenspunkt (kalibrering). Detta kallas vanligtvis initialiserings- eller starttid. (Obs: Det rekommenderas att använda 2 sekunder för kalibreringstid eller att starta sensorns kalibrering inom pre-auton-delen av tävlingsmallen.) När sensorn används inom VEXcode V5/VEXcode Pro V5 drivlinefunktioner ingår kalibreringen i funktionen.)

Ett elektroniskt gyroskop har också en maximal rotationshastighet. Det vill säga, om objektet som sensorn mäter roterar snabbare än gyroskopet kan mäta dess rotation, kommer sensorn att returnera felaktiga avläsningar. Den maximala rotationshastigheten för tröghetssensorn är upp till 1000 grader/sekund. Återigen är detta mer än tillräckligt för att mäta och kontrollera allt utom extrema robotbeteenden.

Närbild av V5 tröghetssensorn med det utskrivna diagrammet som visar tröghetssensorns orientering. Diagrammet har två vinkelräta pilar som indikerar X- och Y-axlarna, och en cirkel som indikerar Z-axeln, som pekar rakt 'uppåt'.

Diagram över X-, Y- och Z-axlarna visade vinkelräta mot varandra i ett isometriskt perspektiv.

Tröghetssensorn måste paras ihop med ett programmeringsspråk som VEXcode V5eller VEXcode Pro V5 för att skapa ett användarprogram för V5 Brain för att använda sensorns avläsningar för att styra robotens beteende.

V5 Brain i samverkan med ett användarprogram kan användas för att omvandla tröghetssensorns avläsningar till många olika mätvärden, inklusive: riktning, rotationsmängd, rotationshastighet, orientering och accelerationsmängd.

Placering av tröghetssensorn

Placeringen av tröghetssensorn är mycket viktig för dess noggranna avläsningar. Som tidigare nämnts är det viktigt att rikta in tröghetssensorn längs den axel där roboten kommer att uppleva en rörelseförändring. Denna inriktning avgör hur sensorn producerar mätningar med hänvisning till robotens rumsliga orientering. Dessa mätningar gör det möjligt för användarprogrammet att ändra robotens beteende.

Det kan finnas ett isolerat fall där en tröghetssensor placeras på en robots externa komponent, men för de flesta tillämpningar placeras sensorn på drivlinans chassi.

Tröghetssensorn justerar alltid sin orientering när den kalibreras så att rotationsmätningen är densamma. Detta gör att sensorn kan placeras i vilken som helst av de 6 möjliga monteringspositionerna.

Sex olika monteringsorienteringar för tröghetssensorn visas för att indikera att dess startorientering inte spelar någon roll.

Läser av tröghetssensorvärden: Det är bra att använda skärmen Enhetsinfo på V5 Brain för att se de värden som tröghetssensorn returnerar. Detta kan göras med sensorn ansluten till hjärnan genom att:

Hjärnskärmen visas i hemmenyn med alternativet Enheter markerat.

Ta bort det magnetiska skärmskyddet för V5 Brain, slå på Brain och tryck på enhetsikonen.

Hjärnskärmen visas i menyn Enhetsinfo som har en lista över alla Hjärnans Smart Ports och anslutna enheter. Tröghetssensorikonen i Enhetsinfo-menyn är markerad för att indikera att objekt kan väljas för att öppna deras informationsmenyer.

Tryck på ikonen för tröghetssensorn på skärmen Enhetsinformation.

Hjärnskärmen visas i tröghetssensormenyn som listar sensorns data. Menyn rapporterar data om sensorns gyrovärden för varje axel, accelerometervärden för varje axel, lutning i grader, rullning i grader och kurs i grader. Menyn har också ett diagram som visualiserar sensorns orientering och dess kalibreringsstatus. Det finns också en Kalibrera-knapp som är markerad.

Tryck på Kalibrera-rutan på tröghetsskärmen.

Flytta tröghetssensorn framåt och bakåt, från sida till sida, upp och ner, och rotera den i olika riktningar. Detta bör ändra värdena på skärmen och rotera 3D-kuben.

Vanliga användningsområden för tröghetssensorn:

Tröghetssensorn kan producera flera mätningar som kan användas för att ändra robotens beteende. Några av dessa inkluderar:

Kurs: När tröghetssensorn används för att flytta roboten till en kurs, kommer den att röra sig till en fast kurs i förhållande till en punkt som fastställdes när sensorn kalibrerades. Med andra ord, om roboten är inställd på en kurs på 90 från sin startposition, spelar det ingen roll om roboten har en aktuell kurs på 45 eller en kurs på 120, den kommer att svänga för att nå en kurs på 90.

Rotationsmängd: Till skillnad från kursvärdet innebär rotationsmängden att roboten roterar ett visst stycke från sin nuvarande orientering. I det här fallet, om roboten vrider 90^eller och sedan vrider 90^eller igen, kommer den att vara vid 180^eller till sin startposition.

Rotationshastighet: Rotationshastigheten är hur snabbt roboten snurrar. Oavsett om roboten svänger mot en viss riktning eller roterar ett visst stycke, kommer hastigheten med vilken drivhjulen roterar att avgöra hur snabbt roboten svänger. Några av de enheter som används för att mäta detta är grader per sekund (dps) och varv per minut (rpm).

Acceleration: Som tidigare nämnts kan tröghetssensorn mäta acceleration, hur snabbt roboten ändrar sin rörelse längs en axel. Intressant nog, medan roboten är stillastående, kommer dess sido- och fram- och bakacceleration att vara 0 g, men robotens upp- och neracceleration kommer att vara 1 g eftersom jordens gravitation utövar 1 g kraft på roboten.

Pendel: En intressant klassrumsaktivitet är att montera en tröghetssensor på en lång bit strukturell metall och sedan fästa den andra änden på ett stationärt torn med en axel eller axelskruv så att den kan svänga nedåt som en pendel. Anslut sedan en lång smart kabel mellan ett V5-hjärn-/kontrollsystem och sensorn. Programmera V5 Brain att skriva ut sensorns accelerationsvärden till Brains färgpekskärm. Låt eleverna utforska hur tröghetssensorns värden ändras när den svänger på pendelns ände.

V5-tumlarrobotkonstruktion med ett tunt chassi och fyra hjul som gör att den kan köras både höger och upp och ner.

Tumlingsrobot: En annan rolig klassrumsaktivitet är att låta eleverna montera en tumlingsrobot. En tumlarrobot är konstruerad för att kunna köra upp och ner såväl som med rätt sida upp. Låt eleverna skriva ett användarprogram med hjälp av tröghetssensorn för att navigera en bana. Låt dem sedan undersöka hur robotens beteende förändras när den kör upp och ner.

Användning av tröghetssensorn på en tävlingsrobot:

Tröghetssensorn kommer att ge tävlingsrobotar en stor konkurrensfördel. Några av dessa användningsområden inkluderar:

Navigering: Förutom att ställa in kurser eller rotationsmängden för roboten kan tröghetssensorns avläsningar användas för att programmera roboten så att den rör sig i en rak linje längs en given kurs. Detta är särskilt användbart under den autonoma delen av en match eller under en körning av programmeringsfärdigheter. Genom att använda högre ordningens matematik är det också möjligt att använda accelerationsvärdena för att skriva en funktion som kan bestämma robotens positionsförändring.

Stabilitet: En av de kanske mest nedslående sakerna är att se sin robot utsträckt på spelplanen efter att den har vält. Tröghetssensorn kan användas under både operatörsstyrda och autonoma perioder för att detektera om roboten börjar tippa och sedan kan användarprogrammet få roboten att vidta en automatisk korrigerande åtgärd. Detta kan ske medan roboten körs helt utsträckt eller medan roboten försöker klättra över ett hinder.

Oavsett vilken tillämpning VEX tröghetssensor används till råder det ingen tvekan om att den kommer att vara ett välkommet tillskott för team. Funktionen hos sensorns värden är öppna för användarens fantasi.

Tröghetssensorn finns tillgänglig på VEX webbplats.